【C语言基础】：动态内存管理（含经典笔试题分析）

爱喝兽奶的熊孩子

发布于 2024-04-10 15:23:14

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发布于 2024-04-10 15:23:14

文章被收录于专栏：C语言基础

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一、动态内存管理

1. 为什么要有动态内存分配

常见的两种内存开辟方式有：

int var = 20;  // 在栈空间上开辟4个字节
char arr[10] = { 0 };  // 在栈空间上开辟10个字节的连续空间

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

空间开辟大小是固定的。
数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小不能调整。

但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。 C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

2. malloc函数和free函数

2.1 malloc函数

C语言提供了⼀个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

这个函数向内存申请⼀块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

如果开辟成功，则返回⼀个指向开辟好空间的指针。
如果开辟失败，则返回⼀个 NULL 指针，因此malloc的返回值⼀定要做检查。
返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。
如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

【示例】：内存的申请

2.2 free函数

C语言提供了另外⼀个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

【示例】：空间的申请及释放

#include<stdlib.h>
int main()
{
	// 申请20个字节的空间
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)  // 判断是否为空指针
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	// 不为空指针就可以使用
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	// 内存的释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

注意：

传递给free函数的是要释放的内存空间的起始地址。所以for循环中赋值时不要去改变p指针的指向。
空间释放之后p的指针还是指向这里的，但由于已经没有使用权限了，p就成了一个野指针，所以要及时将p置为空指针。
malloc和free函数都是对堆区的空间进行操作的，不能对其他区域的空间进行操作。

3. calloc函数和realloc函数

3.1 calloc函数

C语言还提供了⼀个函数叫 calloc， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟⼀块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。

【示例】：空间申请 使用malloc函数

#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));  // 申请5个整形大小的空间
	if (p != NULL)
	{
		for (int i = 0; i < 5; i++)
		{
			*(p + i) = i + 1;
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

malloc函数申请的空间是随机值。

使用calloc函数

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(5, sizeof(int));  // 申请5个整形大小的空间
	if (p != NULL)
	{
		for (int i = 0; i < 5; i++)
		{
			printf("%d ", *p);
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

使用calloc函数申请空间会直接把每个字节初始化为0，所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。

3.2 realloc函数

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的使用内存，我们⼀定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

函数原型如下：

void* realloc (void* ptr, size_t size);

ptr 是要调整的内存地址

size 调整之后新大小
返回值为调整之后的内存起始位置。
这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
realloc在调整内存空间的是存在两种情况： ◦ 情况1：原有空间之后有足够大的空间 ◦ 情况2：原有空间之后没有足够大的空间

【示例】：调整空间大小

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));  // 申请空间
	if (p != NULL)
	{
		for (int i = 0; i < 5; i++)
		{
			*(p + i) = i + 1;
		}
	}
	// 调整空间大小, 调整为40个字节空间大小
	int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
		for (int i = 5; i < 10; i++)
		{
			*(p + i) = i + 1;
		}
		// 打印
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
		free(p);
		p = NULL;
	}
	else  // 调整失败
	{
		perror("realloc");
	}
	return 0;
}

realloc函数调整空间大小有两种情况：

情况一：当是情况1的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。 情况二：当是情况2的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找⼀个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是⼀个新的内存地址。

还有一种情况就是空间调整失败了，调整失败会返回一个空指针（NULL）。

4. 常见的动态内存错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	*p = 20;  //如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
}

这里一定要对p进行判断，避免p是一个空指针。

4.2 对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p != NULL)
	{
		for (int i = 0; i <= 10; i++)
		{
			*(p + i) = i + 1;  //当i是10的时候越界访问
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

malloc申请的空间和数组非常相似，都是一个连续的空间，所以要对边界进行把控，避免越界访问。

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

注意：free只能释放动态申请的空间，而局部变量是在栈区的，无法用free释放。

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);  // 申请100个字节大小的空间
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = i + 1;
		p++;  // 这里的p不再是动态申请的内存的起始位置
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

这里的p已经不再指向起始位置，不能对其使用free进行释放。

4.5 对同一块动态内存多次释放

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	// ...
	free(p);
	free(p);  // 重复释放
}

这种对动态内存重复释放也是错误的，但可以避免，就是在第一次释放后及时将p置为空指针。

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;
	}
	while (1);
	return 0;
}

动态申请空间未释放会导致这一部分内存无法再次被申请，会一直占用，导致内存泄漏。切记：动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放。

5. 动态内存经典笔试题分析

【题目1】：

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

分析：Test函数里面调用GetMemory函数，而GetMemory函数里面开辟了一个100个字节大小的空间，但由于是传值调用，出GetMemory函数时这个申请的空间就被销毁了，所以Test函数里的str还是一个空指针，将字符串拷贝到空指针中必定会对空指针进行解引用操作，导致程序崩溃。解决：GetMemory使用传址调用，直接对str进行开辟空间，使用完之后及时对开辟空间进行释放，str置为空指针。

【题目2】：

char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

分析：Test函数里面将GetMemory的返回值返回给str，但由于GetMemory函数调用后p就被销毁了，导致str成为了一个野指针，无法打印hello world，这就是返回栈空间地址的问题。

【题目3】：

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

分析：Test函数里面将str进行传址调用，在GetMemory函数里面申请100个字节大小的空间，将hello拷贝到str所指向的空间中，但是使用之后并没有使用free函数进行释放，导致内存泄漏。解决：申请的空间使用完之后要使用free函数进行释放，并将str置为空指针。

【题目4】：

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

分析：Test函数里面str申请了100个字节的空间，将hello拷贝到str所指向的空间中，就直接用free释放掉了，导致str成了野指针，之前将hello拷贝到str中，所以str一定不是空指针，所以下面的if语句一定会执行，打印str空间里的内容会对野指针进行操作导致程序崩溃。

二、柔性数组

C99 中，结构中的最后⼀个元素允许是未知大小的数组，这就叫做『柔性数组』成员。 【示例】：

struct S
{
	int i;
	int arr[0];  // 柔性数组成员
	//有些编译器会报错⽆法编译可以改成：int arr[];
};

1. 柔性数组的特点

结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
包含柔性数组成员的结构用malloc ()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大于。

【示例】：

struct S
{
	int n;//4个字节
	int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

sizeof只计算不包括柔性数组的内存，所以柔性数组成员前面必须至少一个其他成员，不然结构体的大小将为0。

2. 柔性数组的使用

【示例】： 代码1

#include<stdlib.h>
struct S
{
	int n;//4个字节
	int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 5 * sizeof(int));
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	ps->n = 100;
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	// 释放
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

malloc函数中sizeof(struct S)计算的是除了柔性数组的空间，后面的才是给柔性数组申请的空间。当然

代码2

struct S
{
	int n;
	int* arr;
};
int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
		return 1;
	ps->arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (ps->arr == NULL)
		return 1;
	ps->n = 100;
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	// 调整空间大小
	int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 10 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
		return 1;
	ps->arr = ptr;
	// 使用
	//...

	// 释放
	free(ps->arr);
	free(ps);
	return 0;
}

3. 柔性数组的优点

上述代码1和代码2可以完成同样的功能，但是代码1的实现有两个好处： 第一个好处是：方便内存释放如果我们的代码是在⼀个给别人用的函数中，你在⾥⾯做了⼆次内存分配，并把整个结构体返回给用户。用户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存⼀次性分配好了，并返回给用户一个结构体指针，用户做⼀次free就可以把所有的内存也给释放掉。

第二个好处是：这样有利于访问速度连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。

三、C/C++中程序内存区域划分

栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
堆区（heap）：⼀般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。分配方式类似于链表。
数据段（静态区）：（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

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原始发表：2024-04-10，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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